امواج گرانشی یک زمزمه پس زمینه در سراسر جهان ایجاد می کنند

به گفته اخترشناسانی که پس‌زمینه‌ای از امواج گرانشی را کشف کرده‌اند، تار و پود کیهان دائماً در حال چرخش است. این امواج ممکن است در اثر ادغام سیاهچاله های کلان پرجرم در کیهان ایجاد شوند، اما ممکن است منشأ عجیب تری نیز داشته باشند، مانند موج های باقیمانده در فضا-زمان که اندکی پس از انفجار بزرگ ایجاد شده اند. تعیین ماهیت واقعی آن‌ها می‌تواند به ما در مورد چگونگی رشد سیاه‌چاله‌های پرجرم و تأثیرگذاری بر کهکشان‌های میزبان خود، یا حتی در مورد چگونگی تکامل جهان در اولین لحظاتش بگوید.

برای یافتن این زمزمه اسرارآمیز، ستاره شناسان ستاره های نوترونی سریع در حال چرخش به نام تپ اختر را ردیابی کردند که با نظم فوق العاده ای نور ساطع می کنند. با مشاهده تپ اخترهای مختلف در راه شیری، اخترشناسان می توانند به طور موثر از آنها به عنوان آشکارساز امواج گرانشی به اندازه کهکشان به نام ماتریس زمان تپ اختر استفاده کنند.

در حالی که امواج گرانشی منفرد، که موج‌هایی در فضا-زمان هستند که در اثر برخورد اجسام عظیم ایجاد می‌شوند، ایجاد شده‌اند. از زمان اولین شناسایی در سال 2015 به طور منظم مشاهده شده است، هدف این جستجو دیگری است. همه این امواج گرانشی قبلی منشأ محلی داشتند و صدها بار در ثانیه موم شده و از بین می‌رفتند، اما سیگنال تازه کشف شده بیشتر شبیه یک موج گرانشی پس‌زمینه است که در کل جهان با فرکانس‌های بسیار پایین‌تری نفوذ می‌کند، شبیه به پس زمینه مایکروویو کیهانیکه تشعشعی است که از مهبانگ باقی مانده و امروزه در سراسر کیهان مشاهده می شود.

در سال 2021 وجود داشت اولین نکات رصدخانه نانوهرتز آمریکای شمالی برای امواج گرانشی (NANOGrav)، یک همکاری مستقر در ایالات متحده که در سال 2007 با استفاده از ماتریس زمان تپ اختری آغاز شد، این پس‌زمینه موج گرانشی را با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی شناسایی کرده است.

با اندازه‌گیری سیگنال‌های نوری تپ‌اخترها هنگام رسیدن به زمین و بررسی نوسان‌های کوچک در زمان‌بندی که ممکن است ناشی از امواج در فضا-زمان باشد، اخترشناسان بر این باورند که نشانه‌هایی از فرآیند مشترکی یافته‌اند که بر زمان‌بندی تمام تپ‌اخترها اثر می‌گذارد. زمان و به همین ترتیب با این حال، در آن زمان، آنها فاقد یک امضای گویا پیش بینی شده بودند نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین این زمزمه در مقیاس کیهانی را تایید می کند.

اکنون، پس از مجموع 15 سال مشاهدات، تیم NANOGrav برای اولین بار این علامت را در سیگنال در طیف وسیعی از فرکانس‌های امواج گرانشی مختلف مشاهده کرده است. یکی از اعضای تیم می گوید: “این از یک اشاره وسوسه انگیز به چیزی تبدیل شد که شواهد بسیار قوی برای پس زمینه موج گرانشی است.” جیمز مک کی در دانشگاه هال انگلستان

این از آستانه آماری که دانشمندان باید آن را تشخیص قطعی پس‌زمینه موج گرانشی بنامند، عبور نکرد، اما ستاره‌شناسان با آرامش آن را شواهد بسیار قانع‌کننده، در سطح 3 سیگما از اهمیت آماری می‌نامند، به این معنی که احتمال ظهور چنین سیگنالی در غیاب وجود دارد. در برابر موج گرانشی حدود 1 در 1000 است.

سه همکاری دیگر Pulsar Timeming Array (PTA) شامل اروپا و هند (EPTA)، چین (CPTA) و استرالیا (PPTA) نیز نتایج خود را امروز منتشر کردند. CPTA ادعا می‌کند که پس‌زمینه موج گرانشی را در سطح اطمینان بالاتری نسبت به NANOGrav، اما فقط برای یک فرکانس شناسایی کرده است، در حالی که هر دو EPTA و PPTA نکاتی از آن را در سطح آماری کمی ضعیف‌تر می‌بینند.

یکی از اعضای تیم NANOGrav می گوید: “آنها همچنین شروع به دیدن این سیگنال همبستگی بسیار مشخص در داده های خود کرده اند.” مگان دی سزار در دانشگاه جورج میسون در ویرجینیا همه ما در حال دیدن آن هستیم، که بسیار هیجان انگیز است زیرا نشان می دهد که احتمالا واقعی است.

مقیاس بزرگ

او می‌گوید، اما تأیید این سیگنال‌ها و جلب اعتماد بیشتر به آن‌ها آسان نیست آریس کاراسترگیو در دانشگاه آکسفورد “این در مقیاس گسترده است، با داده های فوق العاده دشوار برای کار.”

پس‌زمینه امواج گرانشی ناچیز است – قدرت سیگنال‌هایی که ستاره‌شناسان باید استخراج کنند، در مقایسه با نویزهایی که همزمان دریافت می‌کنند، یک قسمت در یک کوادریلیون است – در حالی که خود امواج گرانشی حدود یک سال نوری را در بر می‌گیرد – بیش از 9 تریلیون کیلومتر – بیش از یک طول موج. به همین دلیل است که تپ اخترها که از هم فاصله دارند و از حساس ترین ساعت های جهان هستند، کلید این جستجو هستند. اگر پس‌زمینه ثابتی از امواج گرانشی، تمام فضازمان را منحرف کند، باید بر پالس‌های نور همه تپ‌اخترها نیز به همان شیوه تأثیر بگذارد، اما اندازه‌گیری این امر به دلیل بسیاری از عوامل دیگر که می‌تواند بر زمان‌بندی سیگنال‌های هر تپ‌اختر تأثیر بگذارد، آسان نیست. در آرایه

مک کی می گوید: «ما باید بتوانیم همه آنها را حساب کنیم و این زمان زیادی می برد. سال‌ها رصد می‌طلبد، نیاز به درک زیادی از ویژگی‌های نویز بی‌نظمی‌های دورانی، محیط بین ستاره‌ای و مواردی از این دست است.»

تنها در حال حاضر تیم‌های Pulsar Sync Array به اندازه کافی به داده‌های خود اطمینان دارند تا بتوانند الگوی متمایز در سیگنال پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام را تشخیص دهند. همانطور که اخترشناسان جفت تپ اخترها را در سراسر آسمان ردیابی می کنند، تفاوت های زمانی در نور آنها معمولاً با افزایش زاویه بین آنها کمتر مشابه می شود. این به این دلیل است که نور تپ اخترهایی که در آسمان نزدیک به نظر می رسند مسیر مشابهی را به سمت زمین طی می کند، به این معنی که مسیر مشابهی را در پس زمینه موج گرانشی طی می کند، در حالی که نور از تپ اخترهایی که دورتر به نظر می رسند به روش های مختلفی طی می کند.

به لطف ترفند نسبیت عام، این رابطه در واقع برای تپ اخترهایی که از هم دور هستند معکوس می شود، با مقایسه تپ اخترها در طرف مقابل آسمان، تفاوت های زمانی به طور فزاینده ای مشابه می شود. این الگوی کامل را می توان با استفاده از نموداری به نام منحنی هلینگز-داونز توصیف کرد و این الگو بود که در NANOGrav در سال 2021 گم شد.

می‌گوید: «آنها نمی‌توانستند آن را مشخص کنند و بگویند، بله، این امواج گرانشی هستند کارلو کنتالدی در امپریال کالج لندن اما اکنون که آنها منحنی هلینگز-دانز را اندازه‌گیری کرده‌اند، واقعاً فقط یک اسلحه سیگاری است.»

توضیحات رقابتی

بنابراین، با فرض اینکه سیگنال در هنگام جمع‌آوری داده‌های بیشتر توسط ستاره‌شناسان باقی بماند، چه چیزی باعث ایجاد پس‌زمینه موج گرانشی می‌شود؟

توضیح اصلی شامل ادغام جفت سیاهچاله های کلان پرجرم (SMBHs)، سیاهچاله های عظیم در مرکز بسیاری از کهکشان ها با جرم میلیون ها برابر خورشید است. هنگامی که این اجرام در مدار اطراف یکدیگر قفل می شوند، به اصطلاح باینری ها، جرم های شدید آنها باید فضازمان را در همان محدوده فرکانسی که به نظر می رسد آرایه های زمانی تپ اختر برای پس زمینه موج گرانشی اندازه گیری می کنند، خم کنند. از آنجایی که این رویدادها در سراسر جهان، هم در زمان و هم در مکان اتفاق می‌افتند، امواجی که تولید می‌کنند باید در هم تنیده شوند تا زمزمه‌ای متمایز ایجاد کنند که در فضا نفوذ می‌کند.

«به ناچار اینها [pairs of] یکی از اعضای تیم می‌گوید: سیاه‌چاله‌های کلان جرم در نهایت به هم می‌رسند و دوتایی‌ها را تشکیل می‌دهند لورا بلچا در دانشگاه فلوریدا “فقط یک مسئله مقیاس زمانی است که آنها در واقع به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک می شوند تا این امواج گرانشی را تولید کنند که NANOGrav و دیگر آرایه های همگام تپ اختر می توانند مشاهده کنند.”

اگرچه این توضیح بسیار منطقی است، اما وقتی بلچا و همکارانش پس‌زمینه موج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم در جهان را مدل‌سازی کردند، سیگنالی کمی متفاوت از NANOGrav پیدا کردند که نشان می‌دهد این هیولاهای کیهانی یا پرجرم‌تر هستند یا بیشتر. در جهان بیش از آنچه قبلا تصور می شد رایج است. اگر درست باشد، می‌تواند درک ما را از شکل‌گیری کهکشان‌ها و چگونگی ساختار جهان در مقیاس‌های بزرگ تغییر دهد.

یکی از راه‌های پشتیبانی از توضیح سیاهچاله‌های عظیم این است که ببینیم چگونه سیگنال موج گرانشی پس‌زمینه در قسمت خاصی از آسمان افزایش می‌یابد که احتمالاً در اثر ادغام نزدیک ایجاد می‌شود. PPTA استرالیا در تجزیه و تحلیل خود نکاتی را در این مورد می بیند، اما هنوز برای گفتن این موضوع زود است.

او می گوید که در سیگنال NANOGrav به اندازه کافی عدم اطمینان وجود دارد که دری برای توضیحات جایگزین باز است. نلسون کریستنسن در کالج کارلتون در مینه سوتا. در روزهای آینده صدها مقاله از نظریه پردازان خواهیم داشت که در آن مدل های دیگری را ارائه خواهند داد.

یک احتمال این است که امواج پس‌زمینه ناشی از نقص‌هایی در کیهان بسیار اولیه در هنگام تغییر فاز هستند. ایده این است که این اثری در فضا-زمان بر جای می گذارد، شبیه به شکاف هایی که هنگام یخ زدن آب به یخ ایجاد می شود. مورد دیگر این است که پس‌زمینه در واقع شامل امواج گرانشی اولیه با تئوری طولانی است که توسط کیهان به سرعت در حال انبساط اندکی پس از انفجار بزرگ در دوره‌ای به نام تورم کیهانی.

هیچ چیز دور از ذهن نیست

او می‌گوید، با این حال، داده‌ها در حال حاضر به اندازه کافی دقیق نیستند که بتوان یک یا آن سناریو را رد کرد پدرو فریرا در دانشگاه آکسفورد “مشکل این رشته این است که، بله، این می تواند انواع مختلفی از فیزیک جدید باشد، اما شما نمی توانید تفاوت بین آنها را تشخیص دهید.”

برای تصمیم گیری در این مورد، به داده های بیشتری نیاز داریم. تلسکوپ های جدید ساخته شده مانند FAST در چین و MeerKAT در آفریقای جنوبی، و همچنین آرایه کیلومتر مربع، بزرگترین تلسکوپ جهان در حال ساخت در استرالیا و آفریقای جنوبی، به ما امکان می دهد تپ اخترها را در دفعات بیشتر و با وضوح بسیار بالاتر اندازه گیری کنیم. مک کی می گوید که کشف تپ اخترهای جدید و منظم تر نیز کمک خواهد کرد.

ترکیب مجموعه داده های همه PTA های مختلف در یک همکاری جهانی همچنین امکان تجزیه و تحلیل دقیق تر را فراهم می کند. تعدادی تپ اختر وجود دارد که فقط تلسکوپ های استرالیایی می توانند آنها را ببینند و تلسکوپ های اروپایی برعکس. دی سزار می گوید، تحلیلی که همه نتایج را با هم ترکیب می کند، در حال انجام است و باید در سال های آینده منتشر شود.

کریستنسن می گوید: «این یک عصر طلایی برای امواج گرانشی است. در طی حدود هشت سال، نه تنها امواج گرانشی را روی زمین شناسایی کرده‌ایم، بلکه اکنون آنها را با روشی کاملاً متفاوت در فرکانس بسیار متفاوت شناسایی کرده‌ایم – این فقط فوق‌العاده هیجان‌انگیز است.